一種基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器的制造方法【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器，屬于電力電子變換器【
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】。所述基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器由原邊電路、變壓器、和整流電路構(gòu)成，其中整流電路由兩個(gè)二極管、兩個(gè)開關(guān)管、兩個(gè)輔助電容、兩個(gè)輸出濾波電容、一個(gè)高頻電感和負(fù)載構(gòu)成，本發(fā)明利用高頻電感和開關(guān)管使整流電路具備了可控的升壓整流能力，利用輔助電容構(gòu)成開關(guān)電容電路提升整流電路的升壓能力，本發(fā)明不僅使得整流電路具備了高升壓能力，而且實(shí)現(xiàn)了所有開關(guān)管的軟開關(guān)，可有效減小開關(guān)損耗、提高效率，特別適合高效、高增益隔離升壓直流功率變換場合應(yīng)用。【專利說明】—種基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器【
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】[0001]本發(fā)明涉及一種多倍壓高增益高頻整流隔離變換器，屬于電力電子變換器【
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】，尤其屬于隔離型直流-直流電能變換【
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】。【
背景技術(shù)：
】[0002]在可再生能源發(fā)電、航空、航天、汽車以及醫(yī)療等【
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】的應(yīng)用中，出于安全的考慮并且為了滿足電壓的需求，通常需要采用隔離升壓直流變換器。如何提升隔離變換器的電壓增益、減小變換器所用器件的電壓應(yīng)力并實(shí)現(xiàn)高效率功率變換一直是該【
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】所關(guān)注的重點(diǎn)問題。[0003]傳統(tǒng)的隔離型直流變換器通過調(diào)整變壓器的變比來實(shí)現(xiàn)各種升壓功能，但是，單純依靠調(diào)整變壓器的變比來實(shí)現(xiàn)升壓存在以下問題:開關(guān)器件的電壓應(yīng)力高，特別是變換器副邊整流二極管的電壓應(yīng)力遠(yuǎn)高于輸出電壓；變壓器漏感增加，引起開關(guān)器件的電壓尖峰和震蕩，進(jìn)一步加劇了開關(guān)器件的應(yīng)力、降低了可靠性和效率。此外，傳統(tǒng)的隔離型直流變換器通常不能實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)器件、特別是變壓器副邊器件的軟開關(guān)，極大的影響了變換器的效率。[0004]電流型隔離變換器是隔離升壓變換器的典型解決方案之一，如附圖1，該方案將升壓電路置于隔離變換器的原邊電路，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比可以實(shí)現(xiàn)隔離升壓功能，該方案可以有效減小變壓器繞組的匝數(shù)，整流二極管直接被輸出電壓箝位、電壓應(yīng)力較低。然而，其主要問題在于原邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力過高，特別是開關(guān)管關(guān)斷時(shí)變壓器漏感等會(huì)引起極大的電壓尖峰，嚴(yán)重影響變換器的正常運(yùn)行，因此必須加入合適的有源或無源吸收電路，導(dǎo)致電路復(fù)雜。此外，該電路方案雖然可以實(shí)現(xiàn)升壓，但升壓能力有限，而且開關(guān)管不能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，變換效率也受到影響。[0005]文獻(xiàn)“ChuanYao,XinboRuan,XuehuaWang,ChiK.Tse.1solatedBuck-BoostDC/DCConvertersSuitableforWideInput-VoltageRange[J].1EEETransact1nsonPowerElectronics,2011,26(9):2599-2613.”將非隔離升壓電路置于隔離降壓變換器的副邊，連接在整流電路輸出端之后，以此實(shí)現(xiàn)隔離升壓功能。該方案的主要問題在于變壓器副邊的整流電路、非隔離升壓電路等都是硬開關(guān)，而且從輸入到輸出需要經(jīng)過兩級(jí)功率變換，這都會(huì)極大的損耗變換器的整體效率。【
發(fā)明內(nèi)容】[0006]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，為隔離升壓功率變換場合提供一種基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器。[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:[0008]所述基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器由原邊電路(10)、變壓器(T)和整流電路(20)構(gòu)成，其中變壓器(T)包含一個(gè)副邊繞組(Ns)和一個(gè)原邊繞組(NP)，整流電路(20)由高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管(S)、第二開關(guān)管(S2)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第一輸出濾波電容(Ctjl)、第二輸出濾波電容(C02)和負(fù)載(R。)組成；所述變壓器⑴副邊繞組(Ns)的一端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(La)的另一端連于第一輔助電容(Cal)的一端,第一輔助電容(Cal)的另一端連于第一開關(guān)管(S1)的漏極、第二開關(guān)管(S2)的源極和第二輔助電容(Ca2)的一端,第一開關(guān)管(S1)的源極連于第一輸出濾波電容(CJ的一端、負(fù)載(R。)的一端和變壓器⑴副邊繞組(Ns)的另一端，第二開關(guān)管(S2)的漏極連于第一輸出濾波電容(Ctjl)的另一端、第二輸出濾波電容(Ctj2)的一端和第一二極管(D1)的陽極,第二輔助電容(Ca2)的另一端連于第一二極管(D1)的陰極和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于第二輸出濾波電容(C02)的另一端和負(fù)載(R。)的另一端。[0009]所述原邊電路(10)與變壓器⑴的原邊繞組(Np)的兩端相連，原邊電路(10)的作用是產(chǎn)生正負(fù)脈沖寬度各為50%的交流矩形波電壓，并將其施加于變壓器(T)原邊繞組(Np)的兩端。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，所述原邊電路(10)可以為全橋式、半橋式等電路拓?fù)?。[0010]本發(fā)明技術(shù)方案與既有技術(shù)方案的本質(zhì)區(qū)別在于，將升壓電路集成到了隔離變換器的高頻整流電路中，并通過開關(guān)電容電路實(shí)現(xiàn)高升壓比，這不僅可以有效減小器件應(yīng)力、提升升壓比，而且能夠?qū)崿F(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)、改善變換效率。[0011]本發(fā)明具有如下有益效果:[0012](I)整流電路本身能夠?qū)崿F(xiàn)升壓功能，有效地減小了所用變壓器繞組的匝數(shù)，從而可以大幅減小變壓器漏感、改善效率；[0013](2)通過開關(guān)電容電路能夠大幅提高電壓增益，這可以進(jìn)一步減小所需變壓器繞組的匝數(shù)；[0014](3)所有開關(guān)管都能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，變換效率高；[0015](4)所有開關(guān)管、二極管的功率器件都能夠自然實(shí)現(xiàn)電壓箝位，器件電壓應(yīng)力低?！緦＠綀D】【附圖說明】[0016]附圖1是傳統(tǒng)電流型隔離升壓變換器原理圖；[0017]附圖2是本發(fā)明基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流變換器原理圖；[0018]附圖3是本發(fā)明原邊采用全橋電路拓?fù)涞幕陂_關(guān)電容的多倍壓高頻整流變換器原理圖；[0019]附圖4是本發(fā)明原邊采用半橋電路拓?fù)涞幕陂_關(guān)電容的多倍壓高頻整流變換器原理圖；[0020]附圖5是原邊采用全橋電路拓?fù)涞幕陂_關(guān)電容的多倍壓高頻整流變換器的主要工作波形圖；[0021]附圖6?9是原邊采用全橋電路拓?fù)涞幕陂_關(guān)電容的多倍壓高頻整流變換器在各開關(guān)1吳態(tài)的等效電路圖；[0022]以上附圖中的符號(hào)名稱:10為原邊電路；20為整流電路汀為變壓器；乂和隊(duì)分別為變壓器(T)的原邊繞組和副邊繞組；Lh為高頻電感；Si和S2分別為第一、第二開關(guān)管；Di和D2分別為第一和第二二極管；(^和Ca2分別為第一和第二輔助電容{^和。分別為第一和第二輸出濾波電容；R。為負(fù)載；U。為輸出電壓；Uin為輸入源士、L2為電感，D3、D4為二極管；C。為輸出濾波電容；SP1、Sp2,Sp3和Sp4為開關(guān)管；Cinl和Cin2為電容；uNP為變壓器⑴原邊繞組兩端的電壓；im為高頻電感的電流；UesPpUesi^Uesp3和Uesp4分別為開關(guān)管SP1、SP2、SP2和Sp4的驅(qū)動(dòng)電壓；uesi和Ues2分別為第一和第二開關(guān)管(S1和S2)的驅(qū)動(dòng)電壓；uDSP4和Uds2分別是開關(guān)管Sp4和第二開關(guān)管(S2)的漏極和源極之間的電壓和im分別為流入開關(guān)管SP1、Sp2>Sp3和Sp4漏極的電流；1^、tpt2、t3、t4和t5為時(shí)間?！揪唧w實(shí)施方式】[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。[0024]如附圖2所示，所述基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器由原邊電路(10)、變壓器⑴和整流電路(20)構(gòu)成，其中變壓器⑴包含一個(gè)副邊繞組(Ns)和一個(gè)原邊繞組(NP)，整流電路(20)由高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管(S)、第二開關(guān)管(S2)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第一輸出濾波電容(CJ、第二輸出濾波電容(CJ和負(fù)載(R。)組成；所述變壓器⑴副邊繞組(Ns)的一端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(Lh)的另一端連于第一輔助電容(Cal)的一端,第一輔助電容(Cal)的另一端連于第一開關(guān)管(S1)的漏極、第二開關(guān)管(S2)的源極和第二輔助電容(Ca2)的一端，第一開關(guān)管(S1)的源極連于第一輸出濾波電容(Ctjl)的一端、負(fù)載(R。)的一端和變壓器(T)副邊繞組(Ns)的另一端，第二開關(guān)管(S2)的漏極連于第一輸出濾波電容(C01)的另一端、第二輸出濾波電容(Ctj2)的一端和第一二極管(D1)的陽極,第二輔助電容(Ca2)的另一端連于第一二極管(D1)的陰極和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于第二輸出濾波電容(Ct52)的另一端和負(fù)載(R。)的另一端。[0025]在本發(fā)明中，所述原邊電路(10)與變壓器⑴的原邊繞組(Np)的兩端相連，原邊電路(10)的作用是產(chǎn)生正負(fù)脈沖寬度各為50%的交流矩形波電壓，并將其施加于變壓器(T)原邊繞組(Np)的兩端。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，原邊電路(10)有多種電路拓?fù)淇晒┻x擇，例如，可以為全橋式、半橋式等電路拓?fù)?。附圖3給出了原邊電路(10)采用全橋式電路拓?fù)鋾r(shí)的基于開關(guān)電容的多倍壓高增益高頻整流隔離變換器原理圖，圖中原邊電路包括輸入源(Uin)和四個(gè)開關(guān)管Sp4)，四個(gè)開關(guān)管形成全橋電路結(jié)構(gòu)，兩個(gè)開關(guān)橋臂的中點(diǎn)與變壓器(T)原邊繞組(Np)的兩端相連。附圖4給出了原邊電路采用半橋式電路拓?fù)鋾r(shí)的基于開關(guān)電容的多倍壓高增益高頻整流隔離變換器原理圖，圖中原邊電路包括輸入源(Uin)、兩個(gè)開關(guān)管(SP1,Sp2)和兩個(gè)電容(Cinl和Cin2)。[0026]本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)高效率的隔離升壓變換，為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明將升壓電路創(chuàng)造性的置于了隔離變換器的整流電路中，并通過整流電路中的高頻電感和開關(guān)管共同實(shí)現(xiàn)升壓，并借助開關(guān)電容電路來提高升壓能力，這可以大幅減小變壓器繞組的匝數(shù)、減小器件應(yīng)力、提高效率。[0027]下面以附圖3所示的原邊采用全橋式電路拓?fù)涞幕陂_關(guān)電容的多倍壓高增益高頻整流隔離變換器為例，說明本發(fā)明的工作原理。附圖5給出了原邊采用全橋式電路拓?fù)涞幕陂_關(guān)電容的多倍壓高增益高頻整流隔離變換器的主要工作波形。[0028]h時(shí)刻之前，原邊開關(guān)管Sp2和Sp3導(dǎo)通，全橋電路施加負(fù)電壓在變壓器(T)的原邊繞組(NP)，高頻電感(Lh)中的電流為負(fù)值，第一開關(guān)管(S1)和第一二極管(D1)導(dǎo)通，輸入源(Uin)經(jīng)變壓器⑴和高頻電感(Lh)向第一輔助電容(Cal)充電，第一輸出濾波電容(CJ向第二輔助電容(Ca2)充電山時(shí)刻，原邊開關(guān)管Sp2和Sp3關(guān)斷，由于高頻電感(Lh)電流不能突變，反射到變壓器⑴原邊繞組(Np)的電流流過原邊開關(guān)管Spi和Sp4的體二極管，為Spi和Sp4的零電壓開通提供條件，同時(shí)施加在變壓器(T)原邊繞組(Np)的電壓變?yōu)檎?，高頻電感(Lh)的電流值開始線性減小，該模態(tài)等效電路如附圖6所示。[0029]tl時(shí)刻，開關(guān)管Spi和Sp4零電壓開通，該模態(tài)等效電路如附圖7所示。[0030]t2時(shí)刻，高頻電感Lh的電流自然換向。[0031]t3時(shí)刻，第一開關(guān)管(S1)關(guān)斷，高頻電感(Lh)電流流過第二開關(guān)管(S2)的體二極管，為S2的零電壓開通提供條件，輸入源(Uin)經(jīng)變壓器(T)、高頻電感(LH)、第二開關(guān)管(S2)的體二極管和第一輔助電容(Cal)向第一輸出濾波電容(Ctjl)充電，同時(shí)第二二極管(D2)導(dǎo)通，第二輔助電容(Ca2)向第二輸出濾波電容(CJ充電，該模態(tài)等效電路如附圖8所/Jnο[0032]t4時(shí)刻，第二開關(guān)管(S2)零電壓開通，該模態(tài)等效電路如附圖9所示。[0033]t5時(shí)刻，下半個(gè)開關(guān)周期開始，工作過程類似，不再重復(fù)敘述。[0034]根據(jù)上述工作過程的描述可知，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管的軟開關(guān)，能夠有效改善變換效率?！緳?quán)利要求】1.基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器，其特征在于:所述基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器由原邊電路(10)、變壓器(T)和整流電路(20)構(gòu)成，其中變壓器(T)包含一個(gè)副邊繞組(Ns)和一個(gè)原邊繞組(Np)，整流電路(20)由高頻電感(Lh)、第一開關(guān)管(S1)、第二開關(guān)管(S2)、第一輔助電容(Cal)、第二輔助電容(Ca2)、第一二極管(D1)、第二二極管(D2)、第一輸出濾波電容(Ctjl)、第二輸出濾波電容(C02)和負(fù)載(R0)組成；所述變壓器⑴副邊繞組(Ns)的一端連于高頻電感(Lh)的一端，高頻電感(Lh)的另一端連于第一輔助電容(Cal)的一端,第一輔助電容(Cal)的另一端連于第一開關(guān)管(S1)的漏極、第二開關(guān)管(S2)的源極和第二輔助電容(Ca2)的一端，第一開關(guān)管(S1)的源極連于第一輸出濾波電容(Ctjl)的一端、負(fù)載(R。)的一端和變壓器(T)副邊繞組(Ns)的另一端,第二開關(guān)管(S2)的漏極連于第一輸出濾波電容(Ctjl)的另一端、第二輸出濾波電容(Ctj2)的一端和第一二極管(D1)的陽極，第二輔助電容(Ca2)的另一端連于第一二極管(D1)的陰極和第二二極管(D2)的陽極，第二二極管(D2)的陰極連于第二輸出濾波電容(CJ的另一端和負(fù)載(R。)的另一端。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器，其特征在于:所述原邊電路(10)與變壓器⑴的原邊繞組(Np)的兩端相連，所述原邊電路(10)產(chǎn)生正負(fù)脈沖寬度各為50%的交流矩形波電壓施加于變壓器(T)原邊繞組(Np)的兩端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于開關(guān)電容的多倍壓高頻整流隔離變換器，其特征在于:所述原邊電路(10)可以為全橋式、半橋式等電路拓?fù)??！疚臋n編號(hào)】H02M3/28GK104201894SQ201410485737【公開日】2014年12月10日申請日期:2014年9月18日優(yōu)先權(quán)日:2014年9月18日【發(fā)明者】陸楊軍,吳紅飛,葛紅娟,邢巖申請人:南京航空航天大學(xué)